大跨度斜拉橋柔性拉索施工技術(shù)

張海龍

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

1 情況簡(jiǎn)介

大跨度斜拉橋的斜拉索一般采用高墩稀索布置體系，拉索多采用扇形布置的柔性拉索體系。關(guān)于柔性拉索的施工技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究成果豐富，文獻(xiàn)資料較多［1-7］。其中柔性拉索的施工是斜拉橋施工的難點(diǎn)。準(zhǔn)確的計(jì)算斜拉索的下料長(zhǎng)度及相關(guān)參數(shù)，對(duì)于斜拉橋的設(shè)計(jì)、施工及索力的控制非常重要。此外柔性拉索合理的安裝方法，也是保證柔性拉索快速準(zhǔn)確施工的關(guān)鍵。本文結(jié)合多年的工作經(jīng)驗(yàn)，推導(dǎo)了柔性拉索下料長(zhǎng)度的一種新算法，闡述吊點(diǎn)法安裝柔性拉索的關(guān)鍵。

2 柔性拉索下料長(zhǎng)度計(jì)算

2.1 受力狀態(tài)及其方程

建立如圖1所示的直角坐標(biāo)系，拉索的受力狀態(tài)如圖1所示。拉索單位長(zhǎng)度重量為 w，并設(shè)B點(diǎn)的坐標(biāo)為(a，h)。依據(jù)柔性拉索重力作用下各截面彎矩為零的條件，建立拉索的狀態(tài)方程如下［5-6］。

圖1 斜拉索受力狀態(tài)

圖2 斜拉索隔離體

取如圖2所示隔離體。圖1和圖2中，N表示索力，V，H分別為索力的豎向分力和水平分力，w表示單位長(zhǎng)度索重，θ為拉索切線角。柔性拉索在均勻豎向分布荷載作用下的形狀方程由微分方程式積分得

斜拉索受力后的空中曲線長(zhǎng)度S由積分得

式中C1為積分待定常數(shù)。由式(2)、式(3)得

則斜拉索相關(guān)狀態(tài)參數(shù)為

式中，H為拉索水平力，NA為梁上錨固力，NB為塔上錨固力。以上各式中，C1、H是未知量。式(2)、式(4)、式(6)組成的四個(gè)獨(dú)立方程中所含的 C1、H、S、NA和NB五個(gè)變量反映著拉索的狀態(tài)，為拉索的狀態(tài)變量。任意給出其中一個(gè)變量，即可求出其余變量。

2.2 下料長(zhǎng)度計(jì)算

在斜拉橋拉索的施工中，精確的下料長(zhǎng)度是保證索力符合設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。文獻(xiàn)［5］采用“相似算法”計(jì)算拉索的下料長(zhǎng)度已得到廣泛應(yīng)用。依據(jù)拉索只受拉力的特點(diǎn)，可以推導(dǎo)柔性拉索一種新的快速計(jì)算方法。

2.2.1 下料長(zhǎng)度理論計(jì)算

仍設(shè)拉索在點(diǎn)(x，y)上的彈性應(yīng)變?yōu)棣?，則由公式(5)得

則拉索的總伸長(zhǎng)量為

式(7)、式(8)代入上式(9)得

則錨固時(shí)的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)為

該下料長(zhǎng)度未考慮溫度、張拉錨固等因素的影響。

公式(12)均含拉索的未知狀態(tài)變量H和C1。在斜拉橋施工，制作斜拉索時(shí)通常已知NA(梁上錨固)，求 C1、H、S、NB，或已知 NB(塔上錨固)，求 C1、H、S、NA。

以梁上錨固為例(NA已知)。此時(shí)，積分常數(shù) C1由式(2)求出，即

由公式(2)得

由于斜拉索總有N3AH，顯然 f(Z)為單調(diào)遞增函數(shù)，故方程(14)有單根，可由二分算法求出Z，從而得出，并按照式(13)確定積分常數(shù)C1。

2.2.2 下料長(zhǎng)度修正計(jì)算

公式(12)未考慮溫度、施工等因素的影響。設(shè)拉索錨固時(shí)溫度為 t，相應(yīng)的索長(zhǎng)為 SM。拉索加工時(shí)刻溫度為t0，相應(yīng)的索長(zhǎng)為S0。設(shè)拉索的熱膨脹系數(shù)為α。則考慮溫度影響時(shí)，拉索長(zhǎng)度為

計(jì)算出考慮溫度影響后的索長(zhǎng)，尚需考慮拉索兩端錨具位置修正 ΔSm和拉索工作長(zhǎng)度 ΔSz，對(duì)于拉索絲式錨具的拉索，最終的下料長(zhǎng)度為

2.3 下料長(zhǎng)度計(jì)算驗(yàn)證

以梁上錨固為例，取文獻(xiàn)［5］的算例。已知 w=0.780 kN/m，a=50.325 m，h=40.768 m，NA=1 429.545 kN，EA=2.0×106kN，tM=t0=15℃。編制EXCEL計(jì)算程序，按文中所述計(jì)算方法，并設(shè)工作長(zhǎng)度為1.6 m，求得受力索長(zhǎng)S、拉索水平分力H及下料長(zhǎng)度SM(不計(jì)錨具修正度)，計(jì)算結(jié)果比較如表1，結(jié)果表明本文的算法具有較好的精度。

表1 本文算法與相似算法計(jì)算結(jié)果比較

3 柔性拉索安裝

3.1 放索和移索

目前大跨度斜拉橋拉索均采用工廠化制作，運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后，進(jìn)行放索、移動(dòng)索并安裝。大跨度斜拉橋拉索較長(zhǎng)，放索宜采用類似電纜盤(pán)的鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)盤(pán)，索盤(pán)立式或水平式放置，采用卷?yè)P(yáng)機(jī)徐徐牽引，進(jìn)行放索。不宜采用捆扎運(yùn)輸，以避免損壞拉索防護(hù)外套。

拉索在橋梁上移動(dòng)容易損壞防護(hù)外套。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，滾筒法和移動(dòng)小車(chē)法都容易造成拉索滑落混凝土橋面上，造成拉索防護(hù)外套損壞。斜拉橋的拉索一般直徑小，自重輕，施工經(jīng)驗(yàn)得出，最經(jīng)濟(jì)快捷的方法是墊層法。具體工藝要求是:

1)在橋梁頂面靠近索塔兩側(cè)設(shè)置拉索專用滑移通道，通道寬1.0～1.5 m;

2)通道內(nèi)鋪設(shè)3層麻袋或其他柔軟墊層，墊層厚度不小于5 cm，并且隨時(shí)更換拉索磨損的墊層;

3)通道兩側(cè)設(shè)置鋼筋或鋼管護(hù)欄，護(hù)欄外側(cè)綁扎海綿或麻袋，避免拉索在牽引過(guò)程中滑出通道。

3.2 拉索安裝

斜拉索的安裝依據(jù)張拉端設(shè)于索塔還是梁部而定，如果張拉端設(shè)于索塔，先安裝梁部，反之，先安裝塔部。一般張拉端在塔部，故先在梁部安裝錨固端，然后在塔部安裝張拉端。由于斜拉索的索塔在施工時(shí)，都設(shè)置了大型塔吊，起吊拉力大，故不論是梁部安裝，還是塔部安裝，采用吊點(diǎn)法都是較為經(jīng)濟(jì)快捷方法。具體工藝如下所述:

1)梁部錨固端安裝

首先在梁上放置轉(zhuǎn)向滑輪，牽引繩從套筒中伸出。吊機(jī)將拉索起吊后，牽引繩將錨頭逐漸拉入套筒，緩慢下落吊鉤，直到錨頭傳入套筒，安裝好固定端錨具。具體工藝見(jiàn)圖3所示。

圖3 吊點(diǎn)法安裝梁部拉索錨固端

2)塔部張拉端安裝

塔部安裝的方法有分布牽引法、桁架床法和吊點(diǎn)法。結(jié)合塔吊采用吊點(diǎn)法的主要工藝是:

①在距離拉索端部2～3 m左右，安裝專用的夾板(夾板內(nèi)側(cè)設(shè)置軟層，防止損壞拉索防護(hù)套)，作為拉索起吊的吊點(diǎn)。拉索端部安裝牽引繩，牽引繩另一端連接手拉葫蘆;

②塔吊吊鉤下落，用鋼絲繩連接夾板和吊鉤(注意鋼絲繩的鎖扣不少于2道);

③緩慢起吊，待即將對(duì)準(zhǔn)錨孔時(shí)，將牽引繩拉入錨孔，調(diào)整吊鉤，用手拉葫蘆將拉索拉入錨孔，安裝好錨具，準(zhǔn)備張拉。具體工法見(jiàn)圖4。

圖4 吊點(diǎn)法安裝索塔錨固端

4 結(jié)束語(yǔ)

大跨度斜拉橋柔性拉索的施工技術(shù)作為斜拉橋的施工難點(diǎn)，準(zhǔn)確地計(jì)算下料長(zhǎng)度和選擇合理的安裝方法，是保證斜拉橋結(jié)構(gòu)受力符合設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵工序。本文給出的柔性拉索的下料長(zhǎng)度的計(jì)算和拉索的安裝工藝，通過(guò)實(shí)踐可得出以下結(jié)論:

1)下料長(zhǎng)度的計(jì)算，按照文中所給出的公式，較為簡(jiǎn)單和精確，算例也證明了公式的正確性;

2)拉索放索和移動(dòng)采用設(shè)計(jì)的專用通道，簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，且能夠保證拉索不受損壞;

3)利用斜拉橋索塔施工所設(shè)置的大型塔吊，不遵循傳統(tǒng)文獻(xiàn)所推薦的各類方法，梁部和索塔部位的拉索安裝，均采用吊點(diǎn)法，較為經(jīng)濟(jì)快捷。

［1］姜軍，蒲黔輝，勾紅葉.大跨度獨(dú)塔雙索面斜拉橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2010(4):1-4.

［2］杜國(guó)華，姜林.斜拉橋合理索力及其施工張拉力［J］.橋梁建設(shè)，1989(2):11-17.

［3］程緯.斜拉橋柔性索線形分析及快速迭代計(jì)算方法［J］.公路，1998(6):8-11.

［4］張廣寅.某斜塔斜拉橋狀態(tài)評(píng)估試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2010(11):20-22.

［5］李傳習(xí)，夏桂云.大跨度橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算理論［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［6］宋郁民.斜拉橋柔性拉索無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)的精確計(jì)算［J］.施工技術(shù)，2011(3):42-43.

［7］李自光.橋梁施工成套機(jī)械設(shè)備［M］.北京:人民交通出版社，2003.